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基于改性聚合物3D打印的功能化金屬微結(jié)構(gòu)制造
基于改性聚合物3D打印的功能化金屬微結(jié)構(gòu)制造
更新時(shí)間:2023-01-17
點(diǎn)擊次數(shù):832
金屬三維微結(jié)構(gòu)由于其具有的獨(dú)。特的光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、電子學(xué)和催化特性,在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、集成電路、高頻電子、光電子、小型飛行器和支架等微尺度系統(tǒng)、微流體和微型機(jī)器人等
領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。盡管存在用于制造宏觀尺度三維金屬結(jié)構(gòu)的成熟技術(shù),但到了微觀尺度時(shí),現(xiàn)有技術(shù)都較難實(shí)現(xiàn)。因此目前,*行聚合物打印,以創(chuàng)建復(fù)雜的微
3D
結(jié)構(gòu),而后在結(jié)構(gòu)表面鍍一層金屬這一方法引起了大家的興趣。相比于傳統(tǒng)的金屬打印樣品,
3D
金屬
-
聚合物復(fù)合功能器件具有更復(fù)雜、精密的結(jié)構(gòu),更輕的重量,以及更高的設(shè)計(jì)自由度和更高的集成度。
近期,南洋理工大學(xué)的
Hirotaka Sato
教授團(tuán)隊(duì),王一凡教授團(tuán)隊(duì)以及早稻田大學(xué)的
Shinjiro Umezu
教授團(tuán)隊(duì)合作提出了一種新型的金屬
-
聚合物微尺度三維結(jié)構(gòu)的制造方法。該方法采用將催化劑前體加載到光固化樹脂中的方法,利用新型微立體光刻技術(shù)
(nanoArch S1
4
0
,摩方精密
)
進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度
3D
打印,并使用
NaOH
溶液對(duì)打印樣品進(jìn)行預(yù)處理,以增加催化劑前體
[Pd(II)]
的存在,便于后續(xù)將金屬化學(xué)鍍
(
ELD)
到打印樣品上。
與傳統(tǒng)工藝相比,該工藝更加安全環(huán)保,并且耗時(shí)更少,同時(shí)更加便宜。此外,此方法還可以實(shí)現(xiàn)金屬的多層沉積以獲得具有所需特性組合的多功能結(jié)構(gòu)。該制造方法克服了傳統(tǒng)化學(xué)鍍工藝的瓶頸,例如進(jìn)行預(yù)處理時(shí)對(duì)有毒化學(xué)品的使用。相關(guān)成果以“
Modified polymer 3D printing enables the formation of functionalized micro-metallic architectures
”為題發(fā)表在《
Additive Manufacturing
》期刊上。
圖 1:使用 BMF microArch S140 3D 打印機(jī)對(duì)金屬-聚合物混合微結(jié)構(gòu)進(jìn)行 3D 打印。a) PµSL技術(shù)示意圖。b) 基于 PµSL 技術(shù)的微結(jié)構(gòu)3D 打印過程 i) CAD 建模 ii) 切片 iii) PµSL 3D 打印 iv) 最終樣品。c) 用于金屬-聚合物混合微結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍍工藝。
微尺度金屬三維結(jié)構(gòu)的制造過程主要分為兩個(gè)步驟:(i)
微尺度結(jié)構(gòu)的PµS
L
打印。(
2)
對(duì)打印樣品表面的化學(xué)鍍。團(tuán)隊(duì)成員使用面投影微立體光刻技術(shù)
(nanoArch S14
0, 摩方精密
)
完成器件的制備。化學(xué)鍍的流程如圖1(
c)所示。 (
1) 用酒精以及去離子水清洗使用催化劑樹脂打印的樣品 (2) 將樣品浸入 50 ºC 的 0.2 M NaOH 中 30 分鐘以便于樹脂的開環(huán),使
Pd
2+
活躍在樣品表面。
(3) 用去離子水清洗樣品上多余的NaOH。(4) 將樣品浸入
NaH?PO?
溶液中,50℃攪拌15分鐘,使
Pd (
II)還原為Pd。(5) 重復(fù)去離子水清洗 (6) 將樣品進(jìn)行Ni-P/Cu 或Co-P 化學(xué)鍍?cè) ?
7)
用去離子水洗滌樣品并吹干。為了通過微型
3D 打印技術(shù)制造微尺度結(jié)構(gòu),上述團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了打印材料配方的優(yōu)化?;A(chǔ)配方是一種水洗光敏樹脂。在不同的溶劑和條件下制備不同的PdCl
2
催化劑樹脂,并將其放置5小時(shí),通過觀察是否有明顯的沉淀現(xiàn)象產(chǎn)生,驗(yàn)證其穩(wěn)定性。而后改變PdCl
2
濃度,研究其對(duì)催化劑樹脂穩(wěn)定性的影響(如圖2所示)。
結(jié)果顯示,使用
0.7 M NH
4
Cl
制備的
PdCl
2
催化劑樹脂具有良好的穩(wěn)定性,可打印精度達(dá)
5
0
µm
的微尺度結(jié)構(gòu)。本研究在化學(xué)鍍方法上有了很大改進(jìn),可以擺脫傳統(tǒng)對(duì)于有毒化學(xué)藥品的使用,同時(shí)均勻地將
N
i、Cu、Co
等金屬鍍?cè)趶?fù)雜三維微結(jié)構(gòu)上,展現(xiàn)了在微電子、微型機(jī)器人等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
圖 2:在不同 PdCl
2
濃度條件下制備的催化劑樹脂的穩(wěn)定性。a) 在 0.7M NH
4
Cl 中用不同濃度的 Pd(II) 制備的催化劑樹脂,以研究 Pd(II) 濃度對(duì)催化劑樹脂穩(wěn)定性的影響,i) 不同的 Pd(II) 溶液,ii) 催化劑樹脂混合物b )相同Pd(II)濃度下,不同老化時(shí)間的催化劑樹脂。
圖 3:a) 樹脂與打印機(jī)參數(shù)測(cè)試。b) 打印試樣化學(xué)鍍測(cè)試。c) 3D 打印微觀結(jié)構(gòu)精度比較 i) 水洗樹脂和 ii) 催化劑樹脂。
圖 4:a) 樹脂環(huán)斷裂的堿性水解機(jī)理。b) 化學(xué)鍍工藝優(yōu)化。c) 化學(xué)鍍 3D 打印結(jié)構(gòu)。i) 鍍銅立方體 ii) 鍍鎳網(wǎng)格立方體 iii) 鍍鈷齒輪 iv)鍍鎳迷你輪。
圖 5:微尺度3D打印化學(xué)鍍的應(yīng)用。磁性微尺度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) a) 研究中使用的局部和全局坐標(biāo)系示意圖 b) 繞 局部坐標(biāo)系x 軸旋轉(zhuǎn)以沿全局坐標(biāo)系x 方向滾動(dòng) c) 繞局部坐標(biāo)系 y 軸旋轉(zhuǎn) d) 沿局部坐標(biāo)系 i) x 軸 ii) y 軸和 iii) z 軸移動(dòng)。
上一條
基于可調(diào)塑性的凝固態(tài)液態(tài)金屬的3D柔性電子
下一條
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